曹操为了巩固对河北的统治权，铲除袁绍的残余势力，决定对乌桓进行攻击。由于地理位置不同，曹操做了充足的准备。他先安排人马由河北地区开凿“平虏”和“泉州”两渠，使滹沱河、瓜水、沟河、潞河、滦河五条河从河北的饶阳县贯通到河北的东亭县，以保证以后行军时粮食运输的畅通无阻。
但是，曹操的这项决定却遭到了众将领的反对，他们认为，袁尚等人已不过是漏网之鱼，即使有些势力也都是残余的力量，没必要兴师动众。而乌桓生性贪得无厌，不可能被袁尚轻易利用。若是此刻北伐塞外，刘备肯定会联手刘表，攻击许都，形势会非常不利。
曹操认为众将士分析甚是，左右为难。谋士郭嘉却提出：“乌桓部落仗着自己远在荒蛮之地，一定没有过多的戒备。如果我们现在趁机攻打他们，必定会取得胜利。而且，袁氏兄弟二人若是还有喘息的机会，必定会昭告天下人士联合起来反抗主公，形势就会大有不同。如果，现在大部分人民只是畏惧我们的强大，不敢冒犯我们。而我们也没有给大家带来什么实质上的好处，若是袁尚以乌桓部落作为资本，号召所有愿意为恩主效劳的豪杰之士，那么乌桓大军一出，势必会有胡人响应。这种阵势足以撼动蹋顿的心，恐怕会激起他的野心。如果他的势力起来了，那么青州、冀州很快便会再次陷入危机。刘表却没有贪图天下之心，他也没有能力去驾驭刘备。刘备与刘表联手，只是无奈之举，不必过多担忧。”
曹操听了郭嘉的分析，认为非常有道理，便下定决心，发动大军，沿海出兵，取道山海关，准备进攻乌桓腹地柳城（今辽宁朝阳南）。
当时正值盛夏，淫雨绵绵，沿海一带地势低凹，泥泞难行。乌桓部落周边又有重兵把守，一时之间，曹军无法前行。曹操面对这样的情况也是十分担忧，这时当地有名的谋士田畴献计，说道：“您不如假意后退，然后再突然袭击。”
于是，曹操在泥沼地带的道路两旁分别立了一个大牌子，上面写着：“现在正值盛暑，道路不通，且等到秋季，再行出击。”乌桓的士兵探哨时发现曹军立的大牌子，以为曹军真的后退了，便回去禀报蹋顿。蹋顿从没与曹操交过手，不了解曹操的谋略才华，也不知道他的诡谲多变，轻易地相信了曹军撤退这件事，便放松了对曹军的防御。
曹操突袭前一天，曾向郭嘉询问意见。郭嘉深思熟虑一番，说道：“兵贵神速，我军不如留下辎重，减轻装备，一日强行两日路程，急速挺进，打他们个措手不及。”
于是，曹军辎重在后，轻兵在前，攀登徐无山，向北挺进，遇水搭桥，逢山开路，凿山、填谷将近五百多里，穿过白檀、平冈（今属辽宁朝阳），又穿过鲜卑部落王庭，向东直扑柳城。
据说，乌桓蹋顿得知曹军正迅速逼近，顿时慌了阵脚，连忙同袁尚、袁熙率领辽东、辽西和右北平三郡乌桓数万骑兵迎击曹军。曹操率领军队急速逼近，于白狼山（今辽宁朝阳西南）与乌桓军相遇。乌桓联军势力很是强大，而曹军只是轻装上阵，按道理来说，乌桓的胜算更大，曹军的将士们不免有些害怕。可仔细观察却发现，乌桓兵虽多，却毫无纪律，阵脚散乱，曹操神情自若，命张辽、徐晃带领千余骑兵猛冲下去。而自己则率军随后接应。
不出所料，乌桓军队被打了个措手不及，兵马乱作一团。张辽拍马上前，一刀把蹋顿斩下马来。袁尚、袁熙见势不妙，拨马飞奔逃走。曹操乘胜追击，一顿厮杀占领了柳城。
袁尚、袁熙逃走，奔向辽东郡守公孙康，而辽东郡乌桓单于速仆丸也一同跟了去，随行的骑兵仍有数千名。将士们建议曹操乘胜追击，曹操却胸有成竹地说道：“不必了，我等着公孙康将袁尚、袁熙二人的人头送来。”众人不解。
再说公孙康这边，果然是已有了取袁尚、袁熙性命的打算，并且想把这份大礼送给曹操。于是，在马厩之中，埋伏了精兵，假装宴请袁尚、袁熙，未等落座，公孙康便命人擒拿了二人，即刻诛杀，连同速仆丸的人头一起给曹操送来了。
众将领们都十分诧异，询问曹操：“这公孙康为什么要处决袁尚、袁熙呢？”曹操回道：“公孙康忌惮袁尚、袁熙的势力，若是我们强行进攻，公孙康便会与袁氏兄弟二人联手抵抗我们。但是如果我们撤退，公孙康便会趁机杀掉袁氏兄弟以除心腹大患。”
就这样，曹操平定了乌桓，派田畴镇守柳城，自己则率领三军回撤到邺城。而且，还把被乌桓掳去的十余万汉人带了回来，又将边境上的十余万乌桓人迁入内地，与汉人杂居。乌桓的骑兵也被编入曹军，号称“天下名骑”。
曹操班师回朝的途中，曾路过碣石（今河北东亭县西南），只见山上巨石矗立，海面波涛汹涌。曹操不由得有感而发，吟出了那首脍炙人口，又饱含内心感受的诗：
“东临碣石，以观沧海。水河澹澹，山岛竦峙。树木丛生，百草丰茂。秋风萧瑟，洪波涌起，日月之行，若出其中，星汉灿烂，若出其里。幸甚至哉，歌以咏志。”
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